26.01.2016

Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.

3D-Stützstrukturen für Knochenregeneration entwickelt

Etwa 33 Prozent der Frauen und 12,5 Prozent der Männer über 50 erleiden eine Knochenfraktur aufgrund von Osteoporose. Gerade bei dieser Patientengruppe ist die Selbstheilung derartiger Defekte langwierig bzw. oft nicht möglich. Daher ist die Entwicklung innovativer Materialien für den Knochenersatz seit vielen Jahren ein extrem wichtiges Thema in der Biomaterialforschung. Dreidimensionale Zellträgerstrukturen stellen eine innovative Therapiemöglichkeit für Knochendefekte dar. Prozesse wie die Zellproliferation und die Zelldifferenzierung lassen sich hierbei über die definierte Einstellung struktureller und geometrischer Eigenschaften beeinflussen.

Internationales Forschungsprojekt mit namhaften Forschungspartnern aus acht Ländern am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik in Heilbad Heiligenstadt abgeschlossen.

Die 2-Photonenpolymerisation ist ein innovatives Rapid-Prototyping-Verfahren zur Herstellung von 3D-Stützstrukturen für die Knochenreparatur. Grundlage dieser Technik ist die Wechselwirkung hochenergetischer Laserstrahlung mit photoaktiven Molekülen wodurch eine Polymerisation induziert wird. Die Laserstrahlung wird mit Hilfe eines Objektivs fokussiert. Nur in diesem Fokuspunkt, der einen Durchmesser von ca. 1/4000 mm hat, erfolgt die Polymerisation und damit eine Verfestigung der Substanz innerhalb einer hochviskosen Flüssigkeit zu einem Feststoff. Wird der Fokuspunkt entsprechend eines 3D-Modells durch die Probe bewegt, entstehen dreidimensionale Strukturen, deren geometrische Eigenschaften nach Bedarf eingestellt werden können.
Im Rahmen des EU-Projektes InnovaBone wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Klaus Liefeith in Zusammenarbeit mit acht Forschungseinrichtungen und sechs Industrieunternehmen aus acht Ländern Zellträgerstrukturen (sogenannte Scaffolds) für den Knochenersatz entwickelt. Als Ausgangsmaterial wurde dabei ein biokompatibles, d.h. körperverträgliches bioabbaubares, photoreaktives Copolymer (langkettiges Molekül bestehend aus mehreren Wiederholungseinheiten) auf Caprolacton- und Lactid-Basis verwendet. Durch Variation des Anteils der beiden Monomere konnten die mechanischen Eigenschaften des fertigen Scaffolds gezielt eingestellt werden. Dabei erfolgte die Strukturierung des Ausgangsmaterials mittels der 2-Photonenpolymerisation. Im Ergebnis liegen patientenspezifische (auf den jeweiligen Patienten zugeschnittene) Implantate vor. Umfassende morphologische (Rasterelektronenmikroskopie) und mechanische Testungen zeigten, dass 3-D-Zellträgerstrukturen generiert werden konnten, welche sehr gut für die Anwendung als Knochenersatzmaterialien geeignet sind. Zudem zeigten erste zellbiologische Testungen die exzellenten Eigenschaften und die gute Verträglichkeit mit dem Empfängerorganismus.

Um eine optimale Akzeptanz der Scaffolds gegenüber humanen Zellen zu gewährleisten erfolgte die Befüllung der Scaffolds mit einem bio-aktiven Gel in Verbindung mit Calciumphosphat Nanopartikeln (CaP-NP). Letzteres diente zur Erhöhung des Kontrastes für die spätere klinische Diagnostik mittels Computertomographie. Die knochbildungsfördernden Eigenschaften des Materials wurden durch klinische Untersuchungen in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Universität in Wien nachgewiesen.

Quelle